Методы измерения параметров состояния морской воды на основе использования рефрактометрической информации

Рефрактометрия — один из широко используемых в анализе веществ методов, позволяющий довольно просто определить вещество, находящееся в жидком состоянии, или определить концентрацию двухкомпонентных растворов. Рассмотрим подробнее принципы измерения и возможности этого метода.

Рефрактометрия основана на явлении преломления света при переходе из одной среды в другую, называемом рефракцией. Показатель преломления зависит от внутреннего состояния вещества, от его температуры, давления, концентрации примесей, природы растворителя. Принцип действия промышленных рефрактометров базируется на использовании явления полного внутреннего отражения света в оптической призме, находящейся в контакте с жидкостью. Свет от источника вводится в оптическую призму и падает на ее внутреннюю поверхность, контактирующую с исследуемым раствором. Одна часть лучей, угол падения для которых меньше критического, частично преломляется и проходят в раствор, а частично отражается. Таким образом, на фотоприемнике появляется темная часть изображения, другая же часть лучей, угол падения которых больше критического, полностью отражается от внутренней поверхности и выходит из призмы, формируя светлую часть изображения на фотоприемнике. Положение границы раздела между светом и тенью зависит от соотношения коэффициентов преломления вещества, из которого изготовлена оптическая призма, и исследуемой водной среды, а также длины волны излучения источника света. Поскольку оптические характеристики призмы и длина волны источника постоянны, то по положению границы раздела света и тени на фотоприемнике можно однозначно определить коэффициент преломления или оптическую плотность исследуемого раствора.

Поскольку оптическая схема рефрактометров построена на использовании отражения и прохождения света только внутри призмы, то ни прозрачность раствора, ни наличие в нем рассеивающих свет нерастворимых включений и газовых пузырьков не влияют на результаты измерения. Для компенсации влияния температуры исследуемой жидкости на результаты измерения концентрации в промышленных рефрактометрах используются тепловые датчики. На рис. 11.2.1 приведены основные оптические схемы промышленных рефрактометров.

Рис. 11.2.1. Основные схемы промышленных рефрактометров.

Исходя из определения показателя преломления его измерение может быть основано на явлениях, порождаемых изменениями скорости распространения световой волны в данном веществе по сравнению со скоростью света в вакууме: на изменении фазы, амплитуды и поляризации световой волны, преломленной на границе раздела «исследуемая среда — вакуум» либо отраженной от нее. Прямое измерение абсолютного значения показателя преломления исследуемой среды отличается повышенной трудоемкостью, связанной с необходимостью откачки воздуха всякий раз после помещения измеряемого образца в прибор, поэтому измеряют показатель преломления п_отн исследуемой среды относительно другого (образцового) вещества, показатель преломления которого пО известен, а его абсолютное значение п_ис вычисляют по соотношению

Изменение фазы световой волны может быть обнаружено по искажению интерференционной картины (это явление лежит в основе интерферометрических методов). При наклонном падении светового пучка на границу раздела двух сред изменение фазы в пределах поперечного сечения преломленного светового пучка приводит к повороту волнового фронта, изменяется интенсивность отраженного и преломленного пучков, причем в разной степени в зависимости от ориентации плоскости поляризации относительно плоскости падения. Эти явления лежат в основе всех применяемых в настоящее время методов измерения показателя преломления.